钛合金TC4表面医用氧化物陶瓷涂层的 残余热应力分析
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湖南省自然科学 基金资助项目(2019JJ60059,2020JJ6079);湖南省教育厅科学研究基金资助项目(20A159)


Analysis of Residual Thermal Stress of Medical Oxide Ceramic Coating on TC4 Titanium Alloy
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    摘要:

    采用有限元方法分析了钛合金TC4表面分别溅射沉积的4种医用陶瓷涂层Ta2O5、Nb2O5、ZrO2和TiO2的残余热应力分布情况,并以Ta2O5涂层为例,研究涂层的厚度与结构对残余热应力最大值的影响。结果表明,4种氧化物涂层的残余热应力都表现为拉应力,且应力最大值均位于涂层/基体结合界面的外边缘,其中残余热应力最大值最大的是Ta2O5涂层(32.2 MPa),其次是Nb2O5(19.7 MPa)和ZrO2涂层(10.2 MPa),最小是TiO2涂层(1.03 MPa)。当涂层厚度由1 μm增加到4 μm时,Ta2O5涂层的残余热应力最大值呈现先减小后增大的变化趋势,其中涂层厚度为2.5 μm时的残余应力最大值最小。对于不同结构的Ta2O5涂层来说,在表面层厚度或涂层总厚度相同的情况下,残余热应力最大值由小到大的涂层结构依次为梯度涂层、复合涂层、单层涂层。

    Abstract:

    The residual thermal stress distribution characteristics of Ta2O5, Nb2O5, ZrO2, and TiO2 medical oxide ceramic coatings on TC4 titanium alloy were analyzed via the finite element method, and the influence of coating thickness and structure on the maximum residual thermal stress value of Ta2O5 layer was investigated. The results show that the residual thermal stress in the four oxide coatings is tensile, and the maximum stress value is located at the outer edge of the coating/substrate interface. Among them, Ta2O5 coating has the highest maximum residual thermal stress value (32.2 MPa), followed by Nb2O5 coating (19.7 MPa) and ZrO2 coating (10.2 MPa), and then TiO2 coating (1.03 MPa). When the coating thickness increases from 1 μm to 4 μm, the maximum residual thermal stress value of Ta2O5 coating decreases first and then increases. Ta2O5 layer with 2.5 μm thickness shows the smallest maximum residual stress value. For Ta2O5 coatings with different structures, the maximum residual thermal stress value in ascending order is gradient coating, composite coating, single-layer coating.

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引用本文

丁一帆,单湘衡,袁乾鸿,王 皓,汤迎红,丁泽良.钛合金TC4表面医用氧化物陶瓷涂层的 残余热应力分析[J].包装学报,2022,14(1):32-39.

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  • 收稿日期:2021-10-22
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  • 在线发布日期: 2022-03-29
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